Вакуумная и плазменная электроника.-3
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»
Кафедра электронных приборов
ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания к практическим занятиям для студентов направления подготовки
«11.03.04 – Электроника и наноэлектроника» Профиль: Микроэлектроника и твердотельная электроника;
Профиль: Промышленная электроника
28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника Профиль: Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике
2018
Автор и составитель: Аксенов, Александр Иванович
Вакуумная и плазменная электроника = Вакуумная и плазменная электроника: методические указания к практическим занятиям для студентов направлений подготовки: 11.03.04– Электроника и наноэлектроника (профиль Микроэлектроника и твердотельная электроника, Промышленная электроника); 28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника (профиль: Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике).
Томск 2018. - 39 с.
Материал пособия поможет в закреплении теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»
Кафедра электронных приборов
УТВЕРЖДАЮ Зав.кафедрой ЭП
________С.М. Шандаров
«___» ________ 2018 г.
ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания к практическим занятиям для студентов направления подготовки
«11.03.04 – Электроника и наноэлектроника» Профиль: Микроэлектроника и твердотельная электроника;
Профиль: Промышленная электроника
28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника Профиль: Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике
Разработчик Доцент каф. ЭП
______ А.И. Аксенов
«____»__________2018 г
2018
3
|
Содержание |
|
Введение............................................................................................................... |
5 |
|
Практическое занятие 1. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная |
||
эмиссия, вторичная эмиссия .............................................................................. |
6 |
|
1.1 |
Примеры решения задач по термоэлектронной эмиссии ..................... |
6 |
1.2 |
Примеры решения задач по фотоэлектронной эмиссии ....................... |
7 |
1.3 |
Примеры решения задач по вторичной эмиссии .................................. |
8 |
Практическое занятие 2. Диодный промежуток, вакуумный и ионный |
||
фотоэлемент, многокаскадные ФЭУ................................................................. |
9 |
|
2.1 |
Примеры решения задач.......................................................................... |
9 |
Практическое занятие 3. Движение заряженных частиц в электрическом и |
||
магнитном полях ................................................................................................. |
9 |
|
3.1 |
Примеры решения задач.......................................................................... |
9 |
Практическое занятие 4. Отклоняющие и фокусирующие системы, |
||
токопрохождение в ЭЛТ................................................................................... |
10 |
|
4.1 |
Примеры решения задач........................................................................ |
10 |
Практическое занятие 5. Тлеющий разряд ..................................................... |
13 |
|
5.1 |
Примеры решения задач........................................................................ |
13 |
Задачи для проработки тем .............................................................................. |
13 |
4
Введение
Материал пособия должен помогать закреплению теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.
В результате решения задач студент приобретает способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9); способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20).
Прежде чем решить задачу или ответить на поставленный вопрос, надо понять их сущность, физический смысл заданных величин, вспомнить физические процессы, законы и соотношения, относящиеся к данному вопросу.
Все аналитические решения следует проводить, используя общеизвестные физические законы, физические постоянные и физические системы единиц. Сначала надо написать исходные формулы, сделать, если это необходимо, соответствующие преобразования, получить конечные формулы, а затем подставить в эти формулы числовые значения и найти результат. Помните, что все физические величины в формуле должны быть в одной системе единиц. Не забывайте в ответе давать размерность полученной величины.
Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать до третьего знака, а в ряде случаев и до второго.
Полученный в виде числа ответ надо постараться проверить какимлибо способом. Полезно обратиться к справочной литературе и сравнить полученную величину с известными подобными величинами в справочнике. Если отличие в несколько порядков, то ищите ошибку в своем решении.
Ответы на вопросы следует давать кратко, но ясно и точно.
5
Практическое занятие 1. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия, вторичная эмиссия
1.1Примеры решения задач по термоэлектронной эмиссии
Зада ча 1 . Определить плотность тока термоэмиссии (в А/м2), если материал термокатода имеет эффективную работу выхода эфф 1,5 эВ,
температура катода Tк 900 К, проницаемость потенциального барьера
D 0,95.
Ре ше н ие . Плотность тока термоэмиссии можно определить, используя уравнение Ричардсона-Дэшмана:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e эфф |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5 1,6 10 19 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23 900 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
k T |
|
|
4 |
|
|
2 |
|
1,38 10 |
|
3 |
2 |
|
|||||||
j |
|
A D T e |
|
|
120 10 |
0,95 900 |
e |
|
3,85 10 |
, |
|||||||||||||||||
Э |
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
А/м |
||||||||||||||||
|
0 |
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
A0 120 104 |
|
|
|
А |
|
– универсальная постоянная термоэмиссии; |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
м2град2 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
e 1,6 10 19 |
Кл – заряд электрона; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
k 1,38 10 23 Дж/К – постоянная Больцмана. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
Зада ча |
|
2 . |
|
|
Определить эффективную работу выхода материала |
|||||||||||||||||||||
термокатода эфф |
|
, |
|
если температура катода Tк 900 К, проницаемость |
|||||||||||||||||||||||
потенциального |
барьера |
|
D 0,95, а |
плотность |
тока |
термоэмиссии |
|||||||||||||||||||||
jЭ 3,85103 |
|
А/м2. |
|
Определить ток эмиссии термокатода, если площадь |
|||||||||||||||||||||||
катода Sк 0,1 см2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Р е ш е н и е . Ток эмиссии термокатода можно определить из |
||||||||||||||||||||||||||
уравнения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
j |
Э |
S |
к |
3,85 103 10 5 3,85 10 2 А = 38,5 мА. |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для определения эфф используем уравнение Ричардсона-Дэшмана:
|
|
|
|
|
e эфф |
|
|
|
|
j |
Э |
A D T e |
k Tк . |
||||||
|
|||||||||
|
0 |
к |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
эфф 1,6 10 19 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,38 10 23 900 ; |
|||
3,85 103 120 104 |
0,95 9002 e |
|
|||||||
3,85 103 205,2 109 |
e 12,88 эфф ; |
||||||||
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
эфф = 2,4∙10 -19 Дж = 1,5 эВ.
Постоянные представлены в задаче 1.
1.2Примеры решения задач по фотоэлектронной эмиссии
Зада ча 3 . Найти максимальную энергию (в эВ), выходящих с поверхности фотокатода под действием монохроматического пучка света с длиной волны 2 10 7 м, если эффективная работа выхода фотокатода
эфф 0,5 эВ.
Ре ше н ие . Фотон имеет энергию h и, попадая на фотокатоду, всю энергию отдает электрону в кристалле. Электрон, получив энергию h , покидает кристалл фотокатода, если этой энергии достаточно для выхода. При выходе из кристалла электрон теряет энергию, равную эффективной работе выхода кристалла ( эфф ).
|
|
Выйдя из кристалла фотокатода, электрон в вакууме имеет |
||||||||||||
кинетическую энергию, равную |
|
mv2 |
|
. В результате можно записать |
||||||||||
2 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
уравнение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
mv2 |
h |
c |
|
|
6,626 10 34 |
|
3 108 |
0,5 1,6 10 19 |
9,139 10 19 Дж= |
||||
2 |
|
|
эфф |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
2 10 7 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 5,7 эВ, |
|
где |
h 6,626 10 34 Дж – постоянная Планка; |
|
с 3108 м/с – скорость света в вакууме;
m9,1 10 31 кг – масса электрона;
с – связь между частотой и длиной волны кванта.
Если известна начальная энергия электрона в кристалле ( 0 ), то уравнение баланса энергий можно записать:
0 h эфф mv2 2 .
Зада ча 4 . Электрон фотокатода получил энергию кванта, покинул кристалл и имеет энергию в вакууме 5,7 эВ. Эффективная работа выхода фотокатода эфф 0,5 эВ. Какой станет энергия электрона в вакууме (в эВ),
если длину волны кванта увеличить в 5 раз.
Р е ш е н и е . Энергию кванта можно найти из уравнения:
h h |
c |
|
mv2 |
|
|
5,7 0,5 6, 2 |
эВ. |
|
|
эфф |
|||||
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
При увеличении длины волны в 5 раз энергия кванта уменьшается в 5 раз и становится равной 1,24 эВ.
Теперь можно найти энергию электрона в вакууме:
7
hc эфф 1,24 0,5 0,74 эВ.
1.3Примеры решения задач по вторичной эмиссии
Зада ча 5 . Динод имеет коэффициент вторичной эмиссии 3,5. На этот электрод падает поток первичных электронов, и во внешней цепи
электрода протекает ток I 5 мА. Каким станет этот ток (в мА), если
2?
Ре ше н ие . Динод (вторичный электрод) в приборах предназначен для того, чтобы умножать ток первичных электронов. Первичные электроны падают на поверхность динода, выбивают вторичные электроны, которые все уходят на следующий динод. Ток в цепи динода можно записать:
I g Ie2 Ie1, а Ie2 Ie1 ;
I g Ie1 ( 1) , 5 Ie1(3.5 1) ;
Ie1 2 мА, Ie2 Ie1 7 мА,
где – коэффициент вторичной эмиссии; Ie1 – ток первичных электронов;
Ie2 – ток вторичных электронов; I g – ток динода.
Если 2, то I g 2 (2 1) 2 мА.
Зада ча 6 . Диод работает в режиме насыщения. На анод падает поток первичных электронов, то во внешней цепи анода Ia 1 мА, при
этом коэффициент вторичной эмиссии материала анода 3. Определить ток первичных электронов.
Р е ш е н и е . Диод – это прибор, в котором два электрода: катод и анод. Режим насыщения в диоде, когда все электроны, вышедшие из катода, ускоряются полем анода и приходят на анод, вызывая появление тока первичных электронов. Вторичные электроны, покинув анод, попадают в ускоряющее поле анода и захватываются им снова. Поэтому ток во внешней цепи анода будет определяться потоком первичных электронов:
Ia Ie1 1 мА.
8
Практическое занятие 2. Диодный промежуток, вакуумный
иионный фотоэлемент, многокаскадные ФЭУ.
2.1Примеры решения задач
Задача 1. В электронном фотоэлементе интегральная чувствительность К = 50 мкА/Лм, на фотокатод падает световой поток Ф = 6 Лм. Чему равен ток фотоэмиссии (в мА)?
Решение. Ток фотоэмиссии можно найти:
Iф КФ 50 6 300 мкА 0,3 мА.
Ответ: 0,3мА.
Задача 2. В ФЭУ чувствительность катода К = 10 мкА/Лм, световой поток Ф = 4 Лм, число каскадов n = 5, коэффициент вторичной эмиссии = 3, коэффициент передачи тока = 0,8. Определить ток в цепи анода Ia (в мкА). Как изменится , если световой поток уменьшить в два раза?
Решение. Определим фототок с катода:
Iф КФ 10 4 40 мкА 0,04 мА.
Определим коэффициент усиления ФЭУ:
М n n 35 0,85 79,6.
Определим ток анода:
Ia IфМ 40 79,6 3184 мкА 3,2 мА.
Коэффициент вторичной эмиссии не зависит от светового потока, поскольку фотон всю свою энергию отдает одному электрону.
Ответ: 3,2; «не изменится».
Практическое занятие 3. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях
3.1 Примеры решения задач
Задача 1. Электрон прошел разность потенциалов 200 В. Определить скорость электрона (в м/с) у поверхности положительного электрода, если начальная скорость электрона V0=0.
Решение. Электрон у поверхности анода будет иметь энергию,
соответствующую потенциалу электрода |
|
Еа еUа . Это |
кинетическая |
|||||||||||
энергия, выраженная формулой Е |
mV 2 |
. Учитывая, что |
mV 2 |
еU |
|
, можно |
||||||||
|
|
а |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
к |
2 |
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
определить скорость электрона: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 1,6 10 19 |
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2eUa |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
||||
V |
|
|
|
|
|
|
|
8, 4 10 м / с , |
|
|
|
|||
m |
9,1 10 31 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где m = 9,1∙10–31 кг – масса электрона.
9
Ответ: 8,4 ∙ 106 м/с
Задача 2. Каким полем ускорялся ион, имеющий массу протона, если его скорость V = 106 м/с? Ответ дать в кВ.
Решение.
|
mprV 2 |
1, 7 |
10 27 1012 |
|
||
U |
|
|
|
|
|
5,3кВ, |
|
|
|
1, 6 10 19 |
|||
|
2e |
2 |
|
где mpr = 1,7∙10–27 кг – масса протона.
Ответ: U= 5,3 кВ.
Практическое занятие 4. Отклоняющие и фокусирующие системы, токопрохождение в ЭЛТ
4.1 Примеры решения задач
Задача 1. В электронно-лучевой трубке отклоняющие пластины по оси Х имеют размеры: d = 5 мм; l = 10 мм; L = 30 см; напряжение на втором аноде Ua2 = 3 кВ. Определить чувствительность к отклонению (в мм/В). Какой величины сигнал подан на пластины, если луч отклонился на 2 см на экране?
Решение. Чувствительность к отклонению можно найти из выражения:
|
l L |
|
10 300 |
0,1 мм / В. |
|
2Uad |
2 5 3000 |
||||
|
|
|
Учитывая, что размерность в мм/В, все размеры подставляем в мм, а напряжение в В.
На экране луч отклонился на l1 = 2 см, тогда напряжение, поданное на пластины:
Uпл l1 20 200 В.
0,1
Ответ: U= 200 В.
Задача 2. В кинескопе магнитная отклоняющая система. На экране видна горизонтальная линия в центре длиной l = 25 см. При этом ток в катушке 50 мА, а число витков 2000. Определить чувствительность к отклонению (в мм/А∙вит). Как запитаны катушки, отклоняющие по Y? Как изменится чувствительность к отклонению, если напряжение на третьем аноде увеличить в 1,5 раза?
Решение. Чувствительность можно определить из выражения:
|
l |
|
250 |
2,5мм / А вит. |
|
|
|||
nI |
2000 50 10 3 |
|||
|
|
|
10 |
|